CN108649952A - 一种四通道数字化隔离放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种四通道数字化隔离放大器，其元器件构成简单，使用起来灵活方便，输出精度和分辨率比较高。包括比例参考电路、输入运放电路、A/D转换电路，磁隔离电路，模拟电压信号通过比例参考电路进行比例运算，然后进入输入运放电路进行阻抗变换，随后进入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，数字信号通过磁隔离电路连接外围电路，输入运放电路包括第一、第二输入端，第一输入端连接电阻Ra后连接到运算放大器的正输入端，第二输入端连接并联连接的电容C1和电阻Rb后连接到运算放大器的正输入端，运算放大器OP1A的正输入端连接电阻RC后连接到参考电压Vref，参考电压Vref连接电阻Rc、电阻Rb后接地。

Description

一种四通道数字化隔离放大器
技术领域
本发明涉及隔离放大器技术领域，尤其涉及一种四通道数字化隔离放大器。
背景技术
隔离放大器是一种连接于输入电路和输出电路之间电气绝缘的放大器，采用变压器或光耦合传递信号，在工业控制、信号测量和医疗器械，信号放大等各个方面获得广泛应用。隔离放大器作用是对模拟信号进行隔离，并按照一定的比例放大，要求输出的信号失真要小，线性度、精度、带宽、隔离耐压等参数都要达到使用要求。
随着数字电路的发展，尤其是多路A/D模数转换器的出现，能将多路模拟信号转换成数字信号，采用裸芯片和厚膜集成电路工艺，能在很小的外形尺寸内将电压基准电路、运算放大器电路、A/D转换电路、磁隔离电路以及它们的外围电路等实现芯片级的封装，从而实现多通道数字隔离放大器的小型化。
现有技术中缺乏输出精度和分辨率高的多通道数字化隔离放大器，未能满足客户的需求。
发明内容
针对现有技术中缺乏输出精度和分辨率高的多通道数字化隔离放大器的问题，本发明提供了一种四通道数字化隔离放大器，其元器件构成简单，使用起来灵活方便，输出精度和分辨率比较高。
其技术方案是这样的：一种四通道数字化隔离放大器，包括电控连接的比例参考电路、输入运放电路、A/D转换电路，磁隔离电路，模拟电压信号通过所述比例参考电路进行比例运算，然后进入输入运放电路进行阻抗变换，随后进入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，数字信号通过所述磁隔离电路连接外围电路，其特征在于：输入运放电路包括与模拟电压信号相连接的第一、第二输入端，第一输入端连接电阻Ra后连接到运算放大器的正输入端，第二输入端连接并联连接的电容C1和电阻Rb后连接到所述运算放大器的正输入端，所述运算放大器OP1A的正输入端连接电阻RC后连接到参考电压Vref，参考电压Vref连接电阻Rc、电阻Rb后接地，所述运算放大器的负输入端连接并联连接的电阻Rd和电容C2后连接到所述运算放大器的输出端。
进一步的，所述比例参考电路包括包括电压基准芯片D1，所述电压基准芯片D1的1脚连接电源AVCC1，所述电压基准芯片D1的2脚连接参考电压Vref1，所述电压基准芯片D1的3脚连接AGND1，所述电源AVCC1连接电容C14后连接AGND1，所述参考电压Vref1连接电容C15后连接AGND1；
所述输入运放电路包括第一输入运放电路、第二输入运放电路、第三输入运放电路、第四输入运放电路；所述第一输入运放电路、第二输入运放电路、第三输入运放电路、第四输入运放电路分别包括运算放大器OP1A、OP1B、OP1C、OP1D。
进一步的，第一输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端1a、1b，输入端1a连接电阻R10后连接到运算放大器OP1A的正输入端，电源AVCC1连接所述运算放大器OP1A后接地，输入端1b连接并联连接的电容C30和电阻R25后连接到所述运算放大器OP1A的正输入端，所述运算放大器OP1A的正输入端连接电阻R6后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R6、电阻R25后接地，所述OP1A的负输入端连接并联连接的电阻R22和电容C38后连接到运算放大器OP1A的输出端；
第二输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端2a、2b，输入端2a连接电阻R19后连接到运算放大器OP1B的正输入端，输入端1b连接并联连接的电容C31和电阻R26后连接到所述运算放大器OP1B的正输入端，所述运算放大器OP1B的正输入端连接电阻R7后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R7、电阻R26后接地，所述OP1B的负输入端连接并联连接的电阻R30和电容C39后连接到运算放大器OP1B的输出端；
第三输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端3a、3b，输入端3a连接电阻R21后连接到运算放大器OP1C的正输入端，输入端3b连接并联连接的电容C32和电阻R27后连接到所述运算放大器OP1C的正输入端，所述运算放大器OP1C的正输入端连接电阻R5后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R5、电阻R27后接地，所述OP1C的负输入端连接并联连接的电阻R31和电容C40后连接到运算放大器OP1C的输出端；
第四输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端4a、4b，输入端4a连接电阻R23后连接到运算放大器OP1D的正输入端，输入端4b连接并联连接的电容C33和电阻R28后连接到所述运算放大器OP1D的正输入端，所述运算放大器OP1D的正输入端连接电阻R9后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R9、电阻R28后接地，所述OP1D的负输入端连接并联连接的电阻R32和电容C41后连接到运算放大器OP1D的输出端。
进一步的，所述A/D转换电路包括A/D转换器U6，所述A/D转换器U6型号为MAX1167AEEE，所述运算放大器OP1A、OP1B、OP1C、OP1D的输出端分别连接到所述A/D转换器U6的5、6、7、8端口，电源AVCC1连接所述A/D转换器U6的13端口，电源AVCC1连接电容C35后连接所述A/D转换器U6的11、12端口且连接AGND1，所述A/D转换器U6的9端口连接电容C43后接地，所述A/D转换器U6的9端口连接电容C42后接地，所述A/D转换器U6的16、15端口之间连接电容C44，电源DVCC1连接电容C44后接地。
进一步的，所述磁隔离电路包括数字隔离器U3，所述数字隔离器U3的型号为ADuM1401，所述A/D转换器U6的1、2、3、14端口分别连接所述数字隔离器的11、12、13、14端口，所述数字隔离器U3的16、10端口分别连接电源DVCC1，所述数字隔离器U3的15、9端口分别连接DGND1，所述数字隔离器U3的1、7端口连接电源V3_3, 所述数字隔离器U3的1/8端口连接地，所述DVCC1连接电容C26后连接DGND1，所述电源V3_3连接电容C37后接地，所述数字隔离器U3的3、4、5、6端口分别连接四路数字信号的输出端。
进一步的，所述电源AVCC1由DC/DC转换器U7转换输出，所述DC/DC转换器U7为DCR010505U，所述DC/DC转换器U7的1、2端口分别连接VCC且连接电容C29后连接地，所述DC/DC转换器U7的26、27端口连接地，所述DC/DC转换器U7的14端口输出电源AVCC1，所述DC/DC转换器U7的12端口连接电容C34口连接13端口且接地，所述DC/DC转换器U7的12端口连接电阻R35后连接16端口，电源AVCC1连接电容C13后接地。
本发明的四通道数字化隔离放大器，四路模拟电压信号进入一个比例参考电路进行比例运算，然后进入运算放大器进行阻抗变换，随后进入A/D转换电路转换器将模拟信号转换成数字信号，将数字信号通过磁隔离电路和外围电路连接，磁隔离电路完成前后级电路的隔离，其中每一路输入电路仅需四个外接元件，即输入电阻Ra、Rb、Rc，输入电容C1 构成；输入电阻Ra为高阻抗，起阻抗匹配作用；C1为输入滤波电容，防止外围干扰信号引起信号波动，通过调整Ra、Rb、Rc三个电阻，可以满足A/D转换器的最大输入电压要求，使用起来灵活方便，由于采用四路16位的A/D转换器，输出精度和分辨率比较高，能够能满足客户的需求。
附图说明
图1为本发明的四通道数字化隔离放大器的比例参考电路的电路图；
图2为本发明的第一输入运放电路、第二输入运放电路的电路图；
图3为本发明的第三输入运放电路、第四输入运放电路的电路图；
图4为本发明的四通道数字化隔离放大器的A/D转换电路的电路图；
图5为本发明的四通道数字化隔离放大器的磁隔离电路的电路图；
图6为本发明的四通道数字化隔离放大器的供电电路的电路图。
具体实施方式
见图1至图6，本发明的一种四通道数字化隔离放大器，包括电控连接的比例参考电路、输入运放电路、A/D转换电路，磁隔离电路，模拟电压信号通过比例参考电路进行比例运算，然后进入输入运放电路进行阻抗变换，随后进入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，数字信号通过磁隔离电路连接外围电路；输入运放电路包括第一输入运放电路、第二输入运放电路、第三输入运放电路、第四输入运放电路；第一输入运放电路、第二输入运放电路、第三输入运放电路、第四输入运放电路分别包括运算放大器OP1A、OP1B、OP1C、OP1D。
见图1，比例参考电路包括电压基准芯片D1，电压基准芯片D1的1脚连接电源AVCC1，电压基准芯片D1的2脚连接参考电压Vref1，电压基准芯片D1的3脚连接AGND1，电源AVCC1连接电容C14后连接AGND1，参考电压Vref1连接电容C15后连接AGND1；
见图2，第一输入运放电路包括与模拟电压信号相连接的输入端1a、1b，输入端1a连接电阻R10后连接到运算放大器OP1A的正输入端，电源AVCC1连接运算放大器OP1A后接地，输入端1b连接并联连接的电容C30和电阻R25后连接到运算放大器OP1A的正输入端，运算放大器OP1A的正输入端连接电阻R6后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R6、电阻R25后接地，OP1A的负输入端连接并联连接的电阻R22和电容C38后连接到运算放大器OP1A的输出端；
第二输入运放电路包括与模拟电压信号相连接的输入端2a、2b，输入端2a连接电阻R19后连接到运算放大器OP1B的正输入端，输入端1b连接并联连接的电容C31和电阻R26后连接到运算放大器OP1B的正输入端，运算放大器OP1B的正输入端连接电阻R7后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R7、电阻R26后接地，OP1B的负输入端连接并联连接的电阻R30和电容C39后连接到运算放大器OP1B的输出端；
见图3，第三输入运放电路包括与模拟电压信号相连接的输入端3a、3b，输入端3a连接电阻R21后连接到运算放大器OP1C的正输入端，输入端3b连接并联连接的电容C32和电阻R27后连接到运算放大器OP1C的正输入端，运算放大器OP1C的正输入端连接电阻R5后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R5、电阻R27后接地，OP1C的负输入端连接并联连接的电阻R31和电容C40后连接到运算放大器OP1C的输出端；
第四输入运放电路包括与模拟电压信号相连接的输入端4a、4b，输入端4a连接电阻R23后连接到运算放大器OP1D的正输入端，输入端4b连接并联连接的电容C33和电阻R28后连接到运算放大器OP1D的正输入端，运算放大器OP1D的正输入端连接电阻R9后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R9、电阻R28后接地，OP1D的负输入端连接并联连接的电阻R32和电容C41后连接到运算放大器OP1D的输出端；
见图4，A/D转换电路包括A/D转换器U6，A/D转换器U6型号为MAX1167AEEE，运算放大器OP1A、OP1B、OP1C、OP1D的输出端分别连接到A/D转换器U6的5、6、7、8端口，电源AVCC1连接A/D转换器U6的13端口，电源AVCC1连接电容C35后连接A/D转换器U6的11、12端口且连接AGND1，A/D转换器U6的9端口连接电容C43后接地，A/D转换器U6的9端口连接电容C42后接地，A/D转换器U6的16、15端口之间连接电容C44，电源DVCC1连接电容C44后接地。
见图5，磁隔离电路包括数字隔离器U3，数字隔离器U3的型号为ADuM1401，A/D转换器U6的1、2、3、14端口分别连接数字隔离器的11、12、13、14端口，数字隔离器U3的16、10端口分别连接电源DVCC1，数字隔离器U3的15、9端口分别连接DGND1，数字隔离器U3的1、7端口连接电源V3_3, 数字隔离器U3的1/8端口连接地，DVCC1连接电容C26后连接DGND1，电源V3_3连接电容C37后接地，数字隔离器U3的3、4、5、6端口分别连接四路数字信号的输出端。
见图6，电源AVCC1由DC/DC转换器U7转换输出，DC/DC转换器U7为DCR010505U，DC/DC转换器U7的1、2端口分别连接VCC且连接电容C29后连接地，DC/DC转换器U7的26、27端口连接地，DC/DC转换器U7的14端口输出电源AVCC1，DC/DC转换器U7的12端口连接电容C34口连接13端口且接地，DC/DC转换器U7的12端口连接电阻R35后连接16端口，电源AVCC1连接电容C13后接地。
本发明采用的电压基准芯片LM4040是Micrel公司生产的新型微功耗高精度电压考虑芯片。它具有高精度和低功耗的特点。可为数据采集系统、测量仪器仪表、过程控制、电源管理、产品检测、汽车电子以及高精度音频设备提供高精度的低功耗参考电压。有0.1%、0.2%、0.5%和1.0%等多种输出精度的等级可供选择，使用起来十分方便。
差分电压信号经过1a、1b进入运放的同相输入端，运放输出电压Uout与输入电压Uab的关系为：
Uab=A*Uout +B，A=1+Ra/Rb+Ra/Rc,B=-Ra/RC*Vref
本发明采用的运算放大器为 OPA4340UA是四路高速运放, 5.5MHz增益带宽积, 单电源3 至 5V工作电压。
本发明采用的MAX1167为低功耗、多通道、16位逐次逼近型模数转换器(ADC)，具有集成的+4.096V基准、一个基准缓冲器、一个内部振荡器、自动关断等特点，并带有一个高速SP/QSP/MICROWIR兼容的接口。MAX1167采用单+5V模拟电源工作，且具有独立的数字电源，允许直接与+2.7V至+5.5V的数字逻辑接口；采用外部基准、工作于采样速率为200ksps时，MAX1167的功耗仅为3.6mA (AVDD= DVDD= +5V)。在10ksps时，将电源电流降到185µA，在更低采样速率下，功耗可低至10µA以下； MAX1167包括一个4通道的输入多路复用器，具有扫描模式，可以顺序转换各个通道或连续转换某一个通道，优异的动态性能及低功耗，结合易于使用和内置基准等特性，使MAX1167尤其适合于控制和数据采集，或其它对功耗和尺寸要求严格的应用。
ADuM1401是采用3/1通道方向性的四通道数字隔离器，这些隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征,稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题,不需要外部驱动器和其它分立器件;此外，在信号数据速率相当的情况下，器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6;ADuM140x系列隔离器提供四个独立的隔离通道，支持多种通道配置和数据速率。 所有型号均可采用2.7 V至5.5 V电源电压工作，与低压系统兼容，并且能够跨越隔离栅实现电压转换功能。 此外，ADuM140x具有低脉冲宽度失真（CRW级小于2 ns）和严格的通道间匹配（CRW级小于2 ns）特性;与其它光耦合器不同，ADuM140x隔离器具有已取得专利的刷新特性，可确保不存在输入逻辑转换时及缺少一个电源条件下的直流正确性。

Claims (7)

1.一种四通道数字化隔离放大器，包括电控连接的比例参考电路、输入运放电路、A/D转换电路，磁隔离电路，模拟电压信号通过所述比例参考电路进行比例运算，然后进入输入运放电路进行阻抗变换，随后进入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，数字信号通过所述磁隔离电路连接外围电路，其特征在于：输入运放电路包括与模拟电压信号相连接的第一、第二输入端，第一输入端连接电阻Ra后连接到运算放大器的正输入端，第二输入端连接并联连接的电容C1和电阻Rb后连接到所述运算放大器的正输入端，所述运算放大器OP1A的正输入端连接电阻RC后连接到参考电压Vref，参考电压Vref连接电阻Rc、电阻Rb后接地，所述运算放大器的负输入端连接并联连接的电阻Rd和电容C2后连接到所述运算放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种四通道数字化隔离放大器，其特征在于：包括电压基准芯片D1，所述电压基准芯片D1的1脚连接电源AVCC1，所述电压基准芯片D1的2脚连接参考电压Vref1，所述电压基准芯片D1的3脚连接AGND1，所述电源AVCC1连接电容C14后连接AGND1，所述参考电压Vref1连接电容C15后连接AGND1。
3.根据权利要求2所述的一种四通道数字化隔离放大器，其特征在于：所述输入运放电路包括第一输入运放电路、第二输入运放电路、第三输入运放电路、第四输入运放电路；所述第一输入运放电路、第二输入运放电路、第三输入运放电路、第四输入运放电路分别包括运算放大器OP1A、OP1B、OP1C、OP1D。
4.根据权利要求3所述的一种四通道数字化隔离放大器，其特征在于：第一输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端1a、1b，输入端1a连接电阻R10后连接到运算放大器OP1A的正输入端，电源AVCC1连接所述运算放大器OP1A后接地，输入端1b连接并联连接的电容C30和电阻R25后连接到所述运算放大器OP1A的正输入端，所述运算放大器OP1A的正输入端连接电阻R6后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R6、电阻R25后接地，所述OP1A的负输入端连接并联连接的电阻R22和电容C38后连接到运算放大器OP1A的输出端；
第二输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端2a、2b，输入端2a连接电阻R19后连接到运算放大器OP1B的正输入端，输入端1b连接并联连接的电容C31和电阻R26后连接到所述运算放大器OP1B的正输入端，所述运算放大器OP1B的正输入端连接电阻R7后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R7、电阻R26后接地，所述OP1B的负输入端连接并联连接的电阻R30和电容C39后连接到运算放大器OP1B的输出端；
第三输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端3a、3b，输入端3a连接电阻R21后连接到运算放大器OP1C的正输入端，输入端3b连接并联连接的电容C32和电阻R27后连接到所述运算放大器OP1C的正输入端，所述运算放大器OP1C的正输入端连接电阻R5后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R5、电阻R27后接地，所述OP1C的负输入端连接并联连接的电阻R31和电容C40后连接到运算放大器OP1C的输出端；
第四输入运放电路包括与所述模拟电压信号相连接的输入端4a、4b，输入端4a连接电阻R23后连接到运算放大器OP1D的正输入端，输入端4b连接并联连接的电容C33和电阻R28后连接到所述运算放大器OP1D的正输入端，所述运算放大器OP1D的正输入端连接电阻R9后连接到参考电压Vref1，参考电压Vref1连接电阻R9、电阻R28后接地，所述OP1D的负输入端连接并联连接的电阻R32和电容C41后连接到运算放大器OP1D的输出端。
5.根据权利要求1所述的一种四通道数字化隔离放大器，其特征在于：所述A/D转换电路包括A/D转换器U6，所述A/D转换器U6型号为MAX1167AEEE，所述运算放大器OP1A、OP1B、OP1C、OP1D的输出端分别连接到所述A/D转换器U6的5、6、7、8端口，电源AVCC1连接所述A/D转换器U6的13端口，电源AVCC1连接电容C35后连接所述A/D转换器U6的11、12端口且连接AGND1，所述A/D转换器U6的9端口连接电容C43后接地，所述A/D转换器U6的9端口连接电容C42后接地，所述A/D转换器U6的16、15端口之间连接电容C44，电源DVCC1连接电容C44后接地。
6.根据权利要求1所述的一种四通道数字化隔离放大器，其特征在于：所述磁隔离电路包括数字隔离器U3，所述数字隔离器U3的型号为ADuM1401，所述A/D转换器U6的1、2、3、14端口分别连接所述数字隔离器的11、12、13、14端口，所述数字隔离器U3的16、10端口分别连接电源DVCC1，所述数字隔离器U3的15、9端口分别连接DGND1，所述数字隔离器U3的1、7端口连接电源V3_3, 所述数字隔离器U3的1/8端口连接地，所述DVCC1连接电容C26后连接DGND1，所述电源V3_3连接电容C37后接地，所述数字隔离器U3的3、4、5、6端口分别连接四路数字信号的输出端。
7.根据权利要求1所述的一种四通道数字化隔离放大器，其特征在于：所述电源AVCC1由DC/DC转换器U7转换输出，所述DC/DC转换器U7为DCR010505U，所述DC/DC转换器U7的1、2端口分别连接VCC且连接电容C29后连接地，所述DC/DC转换器U7的26、27端口连接地，所述DC/DC转换器U7的14端口输出电源AVCC1，所述DC/DC转换器U7的12端口连接电容C34口连接13端口且接地，所述DC/DC转换器U7的12端口连接电阻R35后连接16端口，电源AVCC1连接电容C13后接地。
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JPH06216772A (ja) * 1993-01-14 1994-08-05 Hitachi Ltd Ａ／ｄ変換器、及び完全差動演算増幅回路
US20020130696A1 (en) * 2001-03-16 2002-09-19 Akihiko Yoshizawa Offset compensation circuit and offset compensation method
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